如前所述,免疫细胞代谢模式分三类:(1)静息的免疫细胞发生三羧酸循环和氧化磷酸化;(2)活化的免疫细胞利用没有氧化磷酸化的Warburg效应;(3)效应 T 细胞发生糖酵解。这种代谢模式归纳是以三大代谢为对象展开的,而金属元素在免疫代谢中也发挥非常重要的作用。
锌离子是机体第二大必需微量元素。锌稳态对维持细胞和机体正常的生理功能至关重要。锌缺乏会引起生长迟缓、免疫紊乱、认知障碍、性腺机能衰退等一系列问题;而锌过量也会干扰铜、铁等其他微量元素的吸收与利用,甚至引发锌中毒。
锌离子进出细胞以及稳态维持主要依赖于金属离子转运蛋白家族SLC39A和SLC30A。SLC39A家族(又名ZIP家族)有14个成员,负责离子从细胞外或细胞器运输到细胞质;SLC30A家族(又名ZnT家族)有10个成员,负责离子从细胞质运输到细胞外或细胞器。Slc30a1(ZnT1)主要定位于细胞膜,在哺乳动物细胞中广泛表达;在小鼠中,Slc30a1缺失会导致早期胚胎死亡,表明Slc30a1对于早期发育和生存是必需的。
巨噬细胞(Macrophage)是在人体各组织广泛分布的先天免疫细胞,分化自单核细胞,属于单核-吞噬系统。巨噬细胞具有三个主要功能,即吞噬、抗原呈递和免疫调控,在机体的免疫防御、免疫自稳和免疫监视中发挥重要作用。既往研究发现,锌离子与巨噬细胞的抗感染免疫密切相关,但Slc30a1在其中的功能及其尚不明确。
2024年11月底,浙江大学闵军霞与王福俤教授团队合作在eLife期刊发表题为The zinc transporter Slc30a1 (ZnT1) in macrophages plays a protective role against attenuated Salmonella的研究论文。该研究干湿结合,从动物模型展开,完全符合“表达有差异,差异关联表型+机制”的科研逻辑,揭示了锌离子转运蛋白Slc30a1介导的锌稳态对于巨噬细胞功能的重要性,并阐明了相关机制。
Fig1.表达有差异(数据挖掘,沙门氏菌感染导致Slc30a1表达上调)。
Fig2.表达有差异(利用沙门氏菌感染野生型C57BL/6小鼠及Slc30a1基因报告小鼠,确证沙门氏菌感染导致小鼠原代巨噬细胞和脾脏中Slc30a1表达显著上调)。Fig1 + Fig2就是典型的干湿结合策略,值得大家借鉴和学习。
Fig3.差异表达与表型密切相关。利用沙门氏菌感染巨噬细胞中Slc30a1特异性敲除的小鼠模型,研究人员发现这些特异性敲除的小鼠死亡率更高;其外周血、肝脏和脾脏中细菌入侵都显著增殖。
机制上,在Slc30a1缺失时,巨噬细胞内锌离子外排受阻,胞内锌离子蓄积,NF-κB通路激活被抑制,导致iNOS和NO产生减少,导致巨噬细胞杀菌功能减弱。
有意思的是,2017年11月,王福俤团队与闵军霞团队曾合作在 PNAS 杂志发表题为The Metal Transporter Slc39a10 Regulates Susceptibility to Inflammatory Stimuli by Controlling Macrophage Survival的研究论文。该研究也是通过GEO数据挖掘以及基因敲除小鼠模型,确认金属离子转运蛋白Slc39a10介导巨噬细胞锌离子摄取(干湿结合)。在炎性状态下,Slc39a10敲除的巨噬细胞锌离子缺乏,p53蛋白稳定高,细胞凋亡。